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超疏水低黏附防覆冰涂层的设计及其除冰性能研究

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超疏水低黏附防覆冰涂层的设计及其除冰性能研究

作者：刘中央华南理工大学

学位级别：硕士

在寒冷的大气环境中,表面积冰是一种自然现象,但这会使电力网络、航空货运和交通运输等人类工业体系的运行存在安全隐患。传统的主动除冰技术,主要涉及人工、电力或化学除冰方式,但这些方式通常存在高能耗、低效率等问题,难以满足广泛... 详细信息

在寒冷的大气环境中,表面积冰是一种自然现象,但这会使电力网络、航空货运和交通运输等人类工业体系的运行存在安全隐患。传统的主动除冰技术,主要涉及人工、电力或化学除冰方式,但这些方式通常存在高能耗、低效率等问题,难以满足广泛、可靠的除冰技术要求。因此,研究高能效的防覆冰表面对减少积冰现象带来的危害具有重要意义。微纳结构超疏水表面通常具有防冰性能,但在除冰过程中微纳结构会被破坏,从而导致冰黏附强度的增加。润滑液体注入多孔表面能有效降低冰与基体之间的黏附力,但复杂的工艺及耐久性问题限制了其应用。针对以上不足,本文结合微纳结构超疏水和润滑表面低黏附性能制备了防冰涂层,研究涂层润湿行为以及除冰性能探讨其低黏附机理。进一步地,开展了防冰表面自愈合性能及其防冰长效性的研究。首先采用喷涂法在室温硫化硅橡胶基体上(RTV-SR)制备了微纳结构超疏水表面,结合聚偏二氟乙烯(PVDF)和碳纳米管(CNTs)调节涂层表面多层级结构,采用蒸气化学沉积低表面能物质全氟癸基三甲氧基硅烷处理涂层表面。制备的涂层具有优异超疏水性能,水接触角达到163°,结冰延迟时间长达584 s,冰附着力低至13.2 kPa(在自然风的扰动下能够轻易去除),即使经过机械磨损或化学侵蚀,涂层表面仍能保持稳定的防冰性能。PVDF颗粒在受热熔融后形成的网络结构赋予了涂层坚固耐久性,CNTs的高效光热转化使得涂层在光照下能产生热量,实现了光热除冰目的,所制备的超疏水防冰涂层展现出兼具主动除冰和被动防冰性能。利用二氧化硅(SiO)气凝胶表面多微孔吸附硅油(SO)的性质,成功制备了表面润滑涂层。涂层中的SO不仅能够成为冰与基体之间的润滑层,还能在不影响SR固化交联程度下降低其交联密度,从而降低了SR基体表面的冰黏附强度。所制备的润滑涂层表面水接触角小于115°,冰黏附强度低至7.83 kPa,结冰延迟时间为174 s。吸附大量SO的SiO气凝胶被固化后的SR原位固定在涂层体系中,在冰-基体界面处形成润滑层。SiO气凝胶自行吸附SO并分散在涂层体系中,使涂层中含有大量低黏附润滑物质并抑制了SO的释放速率。制备的润滑涂层表面冰黏附强度在经过30次结冰-除冰循环后仍保持在25 kPa以下。为延长防冰表面的使用寿命,结合微纳结构表面和润滑涂层的优点,通过引入蜂蜡相变材料、SiO气凝胶/SO润滑体系和CNTs,以SR作为粘合介质提高涂层体系与基材之间的粘合强度,制备了一种具有自愈合性能的低黏附、超疏水光热响应涂层。在1个太阳光强度的照射下,涂层表面温度迅速上升至85℃,冻结液滴可在150 s内完全融化,结冰延迟时间达到596 s,涂层表面的冰层或霜层在光照下会融化并从其表面脱落。此外,经过化学或机械损伤后,通过简单热处理可使涂层表面微观形貌得以修复并恢复其润湿性能。所制备的涂层具有优异的超疏水和自修复性能,兼具主动除冰和被动防冰性能,在利用自然光除冰领域具有广阔的应用前景。

关键词：超疏水低黏附润滑层光热响应防覆冰除冰

超疏水低黏附自清洁类蝶鳞片仿生结构的激光构筑与力学机理

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中国激光 2022年第16期49卷 76-83页

作者：李晶丛居平郭楠杜新张景然杜锋长春理工大学机电工程学院吉林长春130022 陆军装甲兵学院士官学校基础部吉林长春130117

受自然界素饰蛱蝶翅膀鳞片表面结构的启发,本研究团队建立仿生结构模型,利用激光烧蚀技术在粗化铝合金表面构建了一种具有超疏水、低黏附、自清洁性能的仿生网格状多级结构。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、光学接... 详细信息

受自然界素饰蛱蝶翅膀鳞片表面结构的启发,本研究团队建立仿生结构模型,利用激光烧蚀技术在粗化铝合金表面构建了一种具有超疏水、低黏附、自清洁性能的仿生网格状多级结构。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)、光学接触角测量仪和高速成像等设备对材料表面进行了表征分析,结果表明:喷砂粗化结合激光烧蚀可以形成类蛱蝶鳞片网格状多级结构,该结构具有复杂的形态和复合尺度特征,其表面具有超疏水性能,静态接触角可达到162.6°,滚动角小于5°;液滴弹跳试验和自清洁性能试验结果表明,该仿生结构表面具有良好的低黏附力和自清洁性能,在脱附、减阻、自清洁等领域具有一定的应用潜力。

关键词：激光技术微观结构制造超疏水表面自清洁低黏附仿生结构

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一种自润滑低黏附挤出模具的设计及应用

电线电缆 2023年第3期 50-54页

作者：周建李楷东邓伟杰李楷纯戴彦雍周优姚洪清杨滔广州南洋电缆集团有限公司广州511356

设计了一种可以自由组合的新型挤出模具,模具工作面采用耐高温、化学性能稳定、胶料极难粘连特性的耐高温聚四氟乙烯(PTFE)材料涂氟和单件制作,同时使用Solid Works软件进行3D建模,采用COMSOL Multiphysics软件进行温度场分析。新型模... 详细信息

设计了一种可以自由组合的新型挤出模具,模具工作面采用耐高温、化学性能稳定、胶料极难粘连特性的耐高温聚四氟乙烯(PTFE)材料涂氟和单件制作,同时使用Solid Works软件进行3D建模,采用COMSOL Multiphysics软件进行温度场分析。新型模具利用PTFE的自润滑性构建的模腔工作面,改善了胶体在机头内部的流动性,降低了胶体在机身和机头的挤出压力及内摩擦生热,可广泛应用于高黏度塑料和橡胶的挤出,进一步提高设备的产量。

关键词：聚四氟乙烯自润滑低黏附耐高温挤出模具有限元分析

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一步喷涂法制备低黏附的超疏水颗粒表面

西北师范大学学报（自然科学版） 2014年第5期50卷 60-65页

作者：李健凌菁徐明严军景治娇生态环境相关高分子材料教育部重点实验室甘肃省高分子材料重点实验室西北师范大学化学化工学院甘肃兰州730070 中国石油兰州石化公司化肥厂甘肃兰州730060

采用硬脂酸和十八烷基三氯硅烷分别对商业来源的ZnO、TiO2和SiO2颗粒进行修饰得到相应的疏水颗粒.然后利用简单的一步喷涂法通过喷涂所制备的疏水颗粒的无水乙醇悬浮液制备自清洁型的超疏水颗粒表面.通过红外光谱(FT-IR)、X-射线光电子... 详细信息

采用硬脂酸和十八烷基三氯硅烷分别对商业来源的ZnO、TiO2和SiO2颗粒进行修饰得到相应的疏水颗粒.然后利用简单的一步喷涂法通过喷涂所制备的疏水颗粒的无水乙醇悬浮液制备自清洁型的超疏水颗粒表面.通过红外光谱(FT-IR)、X-射线光电子能谱(XPS)、X-射线粉末衍射(XRD)证明低表面能物质成功地修饰在这些氧化物表面;用扫描电镜(SEM)观察超疏水表面形貌发现表面团聚现象比较严重;用DSA100型接触角测量仪测量所制备的超疏水颗粒表面对水滴的静态接触角高达160°,滚动角小于5°,说明该表面具有良好的超疏水性能.

关键词：超疏水接触角自清洁性能低黏附

镁合金表面自清洁、耐高温复合膜层的制备与表征

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表面技术 2023年第5期52卷 298-305页

作者：周漪胡淋赵兴旺邓杰文成都飞机工业(集团)有限责任公司成都610091 重庆大学重庆400044

目的在镁合金表面制备自清洁、耐高温复合膜层,拓展镁合金在严酷环境中的应用。方法采用化学转化-沸水封闭-硬脂酸修饰三步处理,在AZ31镁合金表面制备含有耐高温锆化合物组分的低黏附、超疏水复合膜层。利用场发射扫描电子显微镜(FES... 详细信息

目的在镁合金表面制备自清洁、耐高温复合膜层,拓展镁合金在严酷环境中的应用。方法采用化学转化-沸水封闭-硬脂酸修饰三步处理,在AZ31镁合金表面制备含有耐高温锆化合物组分的低黏附、超疏水复合膜层。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)表征膜层形貌。利用X射线光电子能谱仪(XPS)表征膜层成分。利用接触角测量仪(CA)和高速摄像机(HSC)表征膜层润湿性和黏附性。以粉笔灰为模拟污染物测试膜层在空气和油相中的自清洁性能。通过高温暴露试验和循环沸水浸泡试验测试膜层的耐高温性能。结果复合膜层主要由锆/镁的(氢)氧化物及硬质酸盐组成,呈被部分填充的纳米纤维组成的微米网络结构。水在膜层表面的静态接触角为160.4°、滚动角为1°,符合“Cassie-Baxter”模型,膜层具有超疏水、低黏附特性;复合膜层具有优异的自清洁性能和耐高温性能。结论成功制备了含有耐高温锆化合物组分的低黏附、超疏水复合膜层,该膜层具有自清洁、耐高温性能。

关键词：镁合金复合膜层超疏水低黏附自清洁耐高温

铝合金电刷镀与激光微加工耦合制备超疏水表面及其特性

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中国机械工程 2017年第1期28卷 82-87,92页

作者：李晶赵言辉于化东杜锋弯艳玲长春理工大学机电工程学院长春130022 装甲兵技术学院机械工程系长春130117

通过电刷镀与激光微加工技术相耦合的方法,在铝合金表面制备出一种微观尺度凸包与沟槽相互排列的特殊结构。未经任何疏水修饰的情况下,得到了一种低黏附性的超疏水表面,其静态接触角达到156°,滚动角约为4.8°,并且表面在滚动性方面表... 详细信息

通过电刷镀与激光微加工技术相耦合的方法,在铝合金表面制备出一种微观尺度凸包与沟槽相互排列的特殊结构。未经任何疏水修饰的情况下,得到了一种低黏附性的超疏水表面,其静态接触角达到156°,滚动角约为4.8°,并且表面在滚动性方面表现出各向(平行沟槽方向和垂直沟槽方向)异性。所制备的表面对高温环境具有较好的稳定性,低温条件下也保持在接近138°较大接触角的疏水状态,且在抗结冰方面表现出优异的性能。通过3.5%(质量分数)NaCl溶液的Tafel曲线测量发现,基体被耦合方法处理后腐蚀阻抗平均提高3个数量级。

关键词：超疏水电刷镀激光微加工低黏附耐腐蚀性

电刷镀-激光加工法制备耦合结构及复合特性研究

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材料工程 2016年第12期44卷 28-34页

作者：李晶赵言辉于化东王妍王永华杜锋长春理工大学机电工程学院长春130022 装甲兵技术学院机械工程系长春130117

通过电刷镀-激光加工法在铝合金表面制备出特殊的复合结构,获得具有低黏附、耐腐蚀特性的超疏水表面,其对水的静态接触角达到155.1°,滚动角小于5.6°。利用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜、接触角测量仪(OCA15Pro)和X射线衍射仪(XRD... 详细信息

通过电刷镀-激光加工法在铝合金表面制备出特殊的复合结构,获得具有低黏附、耐腐蚀特性的超疏水表面,其对水的静态接触角达到155.1°,滚动角小于5.6°。利用扫描电子显微镜(SEM)、光学显微镜、接触角测量仪(OCA15Pro)和X射线衍射仪(XRD)表征表面的形貌结构、润湿特性和物相组成,并通过腐蚀性实验对表面的耐腐蚀性能进行研究。结果表明:制备表面是一种带有孔洞的沟槽与菜花状的凸包簇形成的复合结构,并且各凹槽与凸包结构均为定尺寸分布。电刷镀处理使表面物相组成相对于基体表面发生明显变化,进一步的激光加工使峰值强度增强,材料组织发生细化现象;耦合方法所制备表面的耐腐蚀性也得到改善。

关键词：电刷镀激光加工超疏水低黏附耐腐蚀

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氟模技术在橡塑挤出模具设计中的研究与应用

机电工程技术 2022年第11期51卷 258-263页

作者：李楷东周建邓伟杰李楷纯戴彦雍周优姚洪清杨滔广州南洋电缆集团有限公司广州511356

采用氟模技术设计自润滑、低黏附的高光洁挤出模具,模芯的工作面采用低表面能、化学稳定的高温聚全氟乙烯进行涂层,内模套采用聚全氟乙烯棒材进行模具整体制作。通过模腔工作面的最大程度全氟化后的低表面能,实现模具表面对高温熔融胶... 详细信息

采用氟模技术设计自润滑、低黏附的高光洁挤出模具,模芯的工作面采用低表面能、化学稳定的高温聚全氟乙烯进行涂层,内模套采用聚全氟乙烯棒材进行模具整体制作。通过模腔工作面的最大程度全氟化后的低表面能,实现模具表面对高温熔融胶体黏度的减阻效果,改善胶料在机头模腔的流变性能,降低高黏度胶料的挤出压力和内摩擦生热。基于氟塑料材料的热阻系数远高于常用模具合金材料,在研究过程中,采用SolidWorks软件进行3D建模,并导入COMSOL Multiphysics软件中的传热模块,分别针对挤出机的起机预热阶段和正常挤出阶段,以机头加热温度250℃、模口定径区工作温度150℃为边界条件,以氟塑料熔融变形温度不高于240℃和正常加温时间不大于3.5 h为经济参考条件,模拟组合模套进行传热过程的热场仿真。研究表明:受氟塑料材料的较高热阻系数对传导热效率影响,全氟模套的模口定径区的壁厚尺寸不宜大于20 mm;为提高热传导效率,氟模壁厚应作薄壁化的优化设计。

关键词：聚四氟乙烯涂氟技术自润滑低黏附耐高温挤出模具热传导有限元分析热场效应